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標題: Autodesk Inventor 應(yīng)用案例-轉(zhuǎn)載于CADCAM [打印本頁]

作者: 非飛520 時間: 2007-12-26 16:02
標題: Autodesk Inventor 應(yīng)用案例-轉(zhuǎn)載于CADCAM
數(shù)字化設(shè)計
在設(shè)計的同時進行仿真
——Autodesk Inventor Professional在DANIELI冶金設(shè)備（北京）有限公司的應(yīng)用
Inventor Professional 11（以下簡稱AIP11）在很好地解決設(shè)計中的尺寸結(jié)構(gòu)問題的同時，還內(nèi)嵌了運動仿真和有限元分析模塊，對上述問題提供了很好的解決方案，能夠讓設(shè)計人員在一款CAD軟件中從產(chǎn)品概念設(shè)計到運動分析，再到出具相關(guān)計算報告都輕松完成。
下面就討論一下，如何在AIP11中完成起停式曲柄飛剪機構(gòu)的運動學(xué)性能分析。
首先根據(jù)訂單需求，利用AIP11方便快捷的造型功能，完成曲柄、飛剪機框架和剪刀的設(shè)計。對于這些常規(guī)機構(gòu)模型，使用AIP11中的拉伸、旋轉(zhuǎn)命令便能夠完成（這里需要注意的是，在AIP11中拉伸和旋轉(zhuǎn)等草圖特征命令中包含了加材料和減材料的功能）。在“設(shè)計加速器”中輸入壓力角、螺旋角和中心距，利用系數(shù)求解一對傳動的圓柱斜齒輪，如圖3所示。然后在部件環(huán)境中對各個零件按實際要求拼裝（這里可以使用添加“裝配約束”的命令進行拼裝，并確定哪些零件需要降級成為子裝配），以便日后生成工程圖中需要的明細表。最后還要校驗設(shè)計尺寸，以確保零部件在實際裝配位置上處于無干涉狀態(tài)。這些操作相信對用過AIP11的設(shè)計人員，并不是一件難事，所以具體操作這里不再贅述。

圖3 使用設(shè)計加速器生成所需齒輪
接著保存剛才裝配完成的起停式曲柄飛剪，并改變此模型中的裝配關(guān)系，讓所有零件都置于同一級裝配樹中（因為在實際機構(gòu)運動中并沒有總裝和子裝配的概念，都是

飛剪機的主要任務(wù)是將運行著的軋件按照工藝要求定尺剪斷。隨著軋機軋制速度和生產(chǎn)能力的不斷提高，提高飛剪的速度和性能已成為人們致力研究的問題之一。飛剪機種類很多，根據(jù)其不同的剪切斷面和速度快慢，被應(yīng)用于不同的場合。目前較先進的機型為起停式曲柄飛剪，該飛剪一般處于靜止狀態(tài)，剪切時采用低慣量大扭矩直流電機，直接完成起動、剪切和制動等工藝過程。其實物模型如圖1所示。
起停式曲柄飛剪機剪切機構(gòu)設(shè)計要求為：
1 兩剪刃運動必須為一定軌跡的封閉曲線，且剪切工程中要求剪刃運動軌跡水平平滑，水平分速度呈勻速線形，并大于等于軋件的運動速度。
2 在剪刃剪切過程中出現(xiàn)最大應(yīng)力時，確保承受載荷的曲柄是安全的。

□ 北京銳和華泰科技有限公司王崢
如果采用傳統(tǒng)的手工計算，設(shè)計人員首先要做出機構(gòu)簡圖，并套用各種力學(xué)公式及平面幾何的概念求解結(jié)果，然后再根據(jù)結(jié)果描繪所需各種曲線。由于模型已簡化為最基本的桿單元，且還有計算工程中數(shù)值近似取整等問題，造成得出結(jié)果只能作為一個理論值，和實際設(shè)計要求還有一段距離，所以通常計算得出的結(jié)果安全系數(shù)要大于等于10（安全系數(shù)因企業(yè)設(shè)計要求不同而不同，這里所列出的只是筆者企業(yè)所采用的數(shù)值），才能放心使用。同時因為傳統(tǒng)算法，手算量大，易出現(xiàn)人為計算紕漏，最終造成設(shè)計誤差。曲柄飛剪機的機構(gòu)示意圖如圖2所示。

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設(shè)計人員為便于明細統(tǒng)計和后期的生產(chǎn)制造而人為定義的，所以筆者為求與真實環(huán)境一致，盡量將其還原真實條件），并進行適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡化（例如刪除軸承），使之真正成為一個力學(xué)模型。如圖4所示。

圖4 簡化的力學(xué)模型
接著進入仿真環(huán)境，工具欄中的第一個命令可用來給零件間添加包括鉸接在內(nèi)的各種運動連接條件，如圖5所示。我們也可以使用“繼承裝配”的功能把裝配中的對齊、配合和插入等裝配條件自動轉(zhuǎn)成運動仿真中的連接條件。這里應(yīng)該注意的是裝配中的角度約束問題，過度和運動約束是不可以轉(zhuǎn)換的。

圖5 插入連接功能
在這里應(yīng)盡量使用從裝配環(huán)境繼承連接條件的方法進行裝配關(guān)系的轉(zhuǎn)化，這樣可以減少許多不必要重復(fù)性勞動，如圖6所示。使用過AIP11仿真功能的讀者，可能都遇到過一個有趣的問題，下面以四連桿機構(gòu)為例說明。
在原有的裝配環(huán)境中，每根桿都使用插入約束進行連接，模型完全可以運動，而且沒有提示任何錯誤。在進入仿真環(huán)境并對這些插入約束一一進行轉(zhuǎn)化后，會發(fā)現(xiàn)前三個插入條件都能夠順利轉(zhuǎn)成鉸接，但在轉(zhuǎn)成鉸接后，系統(tǒng)會自動提示添加條件自由度出現(xiàn)問題，如圖7所示。
http://images20.51.com/5002/a/b0 ... 8374_0.08418000.jpg

圖7 添加條件出現(xiàn)冗余錯誤
開始筆者以為是操作問題，進行多次嘗試后仍出現(xiàn)該問題，但不會影響機構(gòu)的模擬運動，然而在對同一根桿進行多次受力分析后，發(fā)現(xiàn)模擬得到的結(jié)果出入很大，這是為什么呢？
筆者為此翻閱了大學(xué)時代的課本，并請教了Autodesk公司的技術(shù)工程師。原來AIP11運動仿真模塊的底層計算完全基于我們所學(xué)的機械原理中的概念公式，關(guān)于連桿機構(gòu)自由度條件計算我們可參考“GRUEBLER定理”。
為使空間四連桿機構(gòu)只有一個可動度M=1（M=6（N-J-1）+∑J，其中N為桿件數(shù)，J為接點數(shù)，∑J為接點自由度之和），經(jīng)計算得出最后一個連接點自由度數(shù)為4，故最后一個連接應(yīng)改為“球面圓槽運動”。
同理修改起停式曲柄飛剪機構(gòu)中出現(xiàn)連接錯誤的接點，建議讀者使用軟件自帶的“修復(fù)冗余”命令解決類似問題，如圖8所示。對于較簡單的動力學(xué)模型，在“修復(fù)冗余”命令菜單中可以直接對其進行修改，而對于復(fù)雜的動力學(xué)模型，此處只能提出合理化建議，設(shè)計人員需要使用“插入連接”的命令，重新定義連接關(guān)系，如圖9所示。

圖9 修復(fù)界面
本例中的主傳動齒輪連接可采用“外齒輪嚙合運動”，選擇兩個斜齒輪的分度圓即可完成條件添加，如圖10所示。這里需要注意的是，此時的連接條件只為計算傳動功率，并不校驗齒輪的嚙合，如減速箱功率的計算等。如需校驗每一個齒可以考慮使用“接觸集合”的條件。對于一些專業(yè)的CAE軟件所提供的實體塊和定義地面的功能，我們可以使用“焊接零件”和“固定”命令加以替代，如圖11和圖12所示。細心的讀者可能會發(fā)現(xiàn)，在AIP11的連接條件中也有一個“焊

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接連接”的條件，這和剛才提到的焊接零件是兩個不同的概念。兩者的本質(zhì)區(qū)別是“焊接零件”允許把幾個零件在運動仿真中定義成一個整體，但是作用力不能在這幾個零件間傳遞，且“焊接連接”功能只能進行兩個零件的添加，不能同時選擇幾個零件集體定義，而“焊接連接”則可以做到力的傳遞。因為要計算剪切過程中曲柄的受力，所以在這里只需要把飛剪機的曲柄和剪刃定義為“焊接連接”即可，如圖13所示。

圖10

外齒輪嚙合運動

圖11 焊接零件

圖12 定義固定

圖13 焊接連接

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